日企聚焦GaN功率元件，耐壓600V產(chǎn)品成主流

摘要：  Si之后的新一代功率半導(dǎo)體材料的開發(fā)在日本愈發(fā)活躍。進(jìn)入2013年以后，日本各大企業(yè)相繼發(fā)布了采用SiC和GaN的功率元件新產(chǎn)品，還有不少企業(yè)宣布涉足功率元件業(yè)務(wù)。

關(guān)鍵字：  GaN功率元件，MOSFET

其中，變化較大的是GaN功率元件。最近，耐壓600V的新款GaN功率晶體管紛紛亮相。耐壓600V的功率晶體管可用于空調(diào)和電磁爐等白家電、混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車的逆變器、太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的功率調(diào)節(jié)器，以及工業(yè)設(shè)備中使用的輸出功率為數(shù)百W～數(shù)十kW的電力轉(zhuǎn)換器。

這些用途對(duì)高效和小型化的需求不斷高漲，因此，與原來的Si制IGBT和MOSFET相比，電力損失較小且可實(shí)現(xiàn)小型化的GaN功率晶體管，受到了業(yè)界的熱切關(guān)注注1)。

注1)例如，安川電機(jī)試制出了采用GaN晶體管的家用電源調(diào)節(jié)器，并宣布2014年投產(chǎn)。

圖1：企業(yè)紛紛發(fā)布新一代功率元件新產(chǎn)品

進(jìn)入2013年以后，日本企業(yè)紛紛發(fā)布利用GaN和SiC的功率元件產(chǎn)品。其中，GaN功率元件相關(guān)措施大幅增加。

伴隨著耐壓600V的GaN功率晶體管的不斷面世，設(shè)備廠商不僅有了更多的部件可選性，而且多家GaN功率元件廠商的相互競爭，還使得價(jià)格越來越低，形成了更加便于采用GaN功率晶體管的局面。

此前，GaN功率晶體管產(chǎn)品的耐壓多為200V以下，耐壓600V產(chǎn)品達(dá)到實(shí)用水平的只有美國Transphorm公司一家。此次，松下和夏普宣布全新涉足GaN功率元件業(yè)務(wù)，并發(fā)布了使用6英寸口徑Si基板的新產(chǎn)品(表1)。松下于2013年3月，夏普于4月15日已經(jīng)分別開始樣品供貨耐壓600V產(chǎn)品。

另一方面，之前一直利用SiC基板的Transphorm也發(fā)布了使用6英寸口徑Si基板制作的600V耐壓GaN功率晶體管，并于2013年3月開始銷售注2)。

注2)Transphorm還推出了GaN功率二極管產(chǎn)品。另外，該公司還與日本英達(dá)就GaN功率元件的量產(chǎn)和銷售進(jìn)行合作，在日本英達(dá)的筑波事務(wù)所引進(jìn)了支持8英寸口徑的前工序生產(chǎn)線。

除松下、夏普及Transphorm外，富士通半導(dǎo)體預(yù)定2013年下半年上市采用Si基板的耐壓600V產(chǎn)品，美國國際整流器公司(International Rectifier，IR)和美國EPC也在致力于研發(fā)耐壓600V的產(chǎn)品。

可常閉工作

另外，對(duì)于GaN功率晶體管來說，此前元件很難實(shí)現(xiàn)“常閉工作”，但此次卻投產(chǎn)了可實(shí)現(xiàn)“常閉工作”的產(chǎn)品(圖2)。常閉工作是指只有在柵極施加電壓時(shí)才導(dǎo)通，這是電力轉(zhuǎn)換器出于安全考慮需求強(qiáng)烈的一個(gè)功能。

圖2：常閉工作的實(shí)現(xiàn)方法有2種

橫型GaN功率晶體管實(shí)現(xiàn)常閉工作的方法大致有2種。通過元件本身或級(jí)聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)。二者均有利弊。左側(cè)是松下元件的概略圖。

此前的元件為常開工作，通過級(jí)聯(lián)耐壓數(shù)十V的Si MOSFET，與GaN功率晶體管集成在一個(gè)封裝內(nèi)。這種構(gòu)造雖然可輕松沿用現(xiàn)有Si制元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路，但開關(guān)頻率很難以數(shù)百k～數(shù)MHz的高頻工作。而GaN正好具有這樣的高頻響應(yīng)特點(diǎn)。

相反，如果元件可以常閉工作的話，則便于在高頻狀態(tài)下工作注3)。向市場投放可實(shí)現(xiàn)常閉工作產(chǎn)品的是松下。常閉工作有多種實(shí)現(xiàn)方法，松下采用了在柵極正下方設(shè)置p型AlGaN層的方法。與其他實(shí)現(xiàn)方法相比，該方法更易降低導(dǎo)通電阻。松下產(chǎn)品的導(dǎo)通電阻為65mΩ，為級(jí)聯(lián)產(chǎn)品的一半左右。

注3)不過，可實(shí)現(xiàn)常閉工作的GaN功率晶體管的閾值電壓較低。閾值電壓越低，就越有可能受到電磁噪聲導(dǎo)致的誤動(dòng)作的影響。

除松下以外，EPC和富士通半導(dǎo)體也在致力于開發(fā)常閉工作的實(shí)際產(chǎn)品。

激烈的價(jià)格競爭

隨著GaN產(chǎn)品數(shù)量的增加，設(shè)備廠商的選擇范圍越來越大，而從事GaN功率元件業(yè)務(wù)的半導(dǎo)體廠商，今后則將面臨激烈的價(jià)格競爭。這是因?yàn)?，GaN功率元件市場一旦成立，韓國、中國大陸及臺(tái)灣等亞洲地區(qū)的半導(dǎo)體廠商均有可能涉足該業(yè)務(wù)。由于可以沿用此前邏輯LSI等利用的、支持6～8英寸口徑Si基板的制造裝置，以及面向LED等引進(jìn)的GaN類半導(dǎo)體的外延裝置等，能夠輕松涉足這一市場。為了避免與存儲(chǔ)器和LED等同樣的厄運(yùn)，日本企業(yè)必須制定周密的業(yè)務(wù)戰(zhàn)略，包括構(gòu)筑海外生產(chǎn)基地等。